ЦИТОЗИН: СТРУКТУРА, ФУНКЦІЇ, ВЛАСТИВОСТІ, СИНТЕЗ - БІОЛОГІЯ

Цитозин є тип пиримидина нуклеїнових, службовець для біосинтезу цитидину-5-монофосфату і деоксіцітідіна 5'-монофосфат. Ці сполуки служать для біосинтезу відповідно дезоксирибонуклеїнової кислоти (ДНК) та рибонуклеїнової кислоти (РНК). ДНК зберігає генетичну інформацію, а РНК виконує різні функції.

У живих істотах цитозин не знайдеться вільним, але зазвичай утворює рибонуклеотиди або дезоксирибонуклеотиди. Обидва типи сполуки мають фосфатну групу, рибозу та азотну основу.

Джерело: Vesprcom

Вуглець 2 рибози має гідроксильну групу (-ОН) у рибонуклеотидах, а атом водню (-Н) - у дезоксирибонуклеотидах. Залежно від кількості присутніх фосфатних груп, є цитидин-5'-монофосфат (CMP), цитидин-5'-дифосфат (CDP) та цитидин-5′-трифосфат (CTP).

Деоксигеновані еквіваленти називаються дезоксицитидин-5'-монофосфатом (dCMP), дезоксицитидин-5'-дифосфатом (dCDP) та дезоксицитидин-5'-трифосфатом (dCTP).

Цитозин в різних його формах бере участь у різних функціях, таких як біосинтез ДНК та РНК, біосинтез глікопротеїну та регуляція експресії генів.

Будова та властивості

Цитозин, 4-аміно-2-гідроксипіримідин, має емпіричну формулу C ₄ H ₅ N ₃ O, молекулярна маса якої становить 111,10 г / моль, і очищається у вигляді білого порошку.

Структура цитозину - це плоске ароматичне гетероциклічне кільце. Довжина хвилі максимальної поглинання (ʎ _max ) становить 260 нм. Температура плавлення цитозину перевищує 300ºC.

Для утворення нуклеотиду цитозин ковалентно приєднується через азот 1 через N-бета-глікозидний зв’язок з вуглецем 1-рибози. 5 'вуглець етерифікується фосфатною групою.

Біосинтез

Нуклеотидний біосинтез піримідинів має загальний шлях, що складається з шести етапів, каталізованих ферментами. Шлях починається з біосинтезу карбамоїлфосфату. У прокаріотів є лише один фермент: карбамоїлфосфатна синтаза. Це відповідає за синтез піримідинів та глютаміну. У еукаріотів є карбамоїлфосфат синтаза I та II, які відповідають за біосинтез глютаміну та піримідинів.

Другий етап складається з утворення N-карбамоїласпартату з карбоїлфосфату та аспартату, реакції, катализируемой аспартат-транскабамойлазою (АТКАза).

Третій етап - синтез L-дигідроротату, який викликає закриття піримідинового кільця. Цей етап каталізується дигідроотазою.

Четвертий етап - утворення оротату, який є окислювально-відновлювальною реакцією, каталізується дігідрооратдегідрогеназою.

П'ятий етап складається з утворення оротидилата (OMP) з використанням фосфорибозилпірофосфату (PRPP) в якості субстрату та оротат фосфорибозил-трансферази в якості каталізатора.

Шоста стадія - утворення уридилату (уридин-5'-монофосфат, UMP), реакції, каталізованої OMP-декарбоксилазою.

Наступні етапи складаються з катализированного киназою фосфорилювання UMP з утворенням UTP та переведення аміногрупи з глутаміну в UTP до утворення CTP, реакції, катализируемой CTP-синтетазою.

Регуляція біосинтезу

У ссавців регуляція відбувається на рівні карбамоїлфосфатсинтази II - ферменту, який знаходиться в цитозолі, тоді як карбамоїлфосфат синтаза I - мітохондріальна.

Карбамоїлфосфат синтаза II регулюється негативними зворотними зв'язками. Його регулятори, UTP і PRPP, є відповідно інгібітором і активатором цього ферменту.

У непечінкових тканинах карбамоїлфосфат синтаза II є єдиним джерелом карбамоїлфосфату. Перебуваючи в печінці, в умовах надлишку аміаку, карбамоїлфосфатна синтаза I виробляє в мітохондріях карбамоїлфосфат, який транспортується до цитозолу, звідки він потрапляє в шлях біосинтезу піримідину.

Іншим пунктом регуляції є OMP-декарбоксилаза, яка регулюється конкурентним гальмуванням. Його продукт реакції, UMP, конкурує з OMP за сайт зв'язування на OMP-декарбоксилазі.

Піримідини, як і цитозин, переробляються

Утилізація піримідинів має функцію повторного використання піримідинів без необхідності біосинтезу de novo та уникнення деградативного шляху. Реакція переробки каталізується піримімідин фосфорибосілтрансферазою. Загальна реакція така:

Піримідин + PRPP -> піримідин нуклеозид 5'-монофосфат + PPi

У хребетних піримімідин фосфорибосілтрансфераза виявлена в еритроцитах. Субстратними піримідинами цього ферменту є урацил, тимін та оротат. Цитозин опосередковано переробляється з уридин-5'-монофосфату.

Роль у біосинтезі ДНК

Під час реплікації ДНК інформація, що міститься в ДНК, копіюється в ДНК полімеразою ДНК.

Для біосинтезу РНК необхідний дезоксинуклеотид трифосфат (dNTP), а саме: дезокситимідин трифосфат (dTTP), дезоксицитидин трифосфат (dCTP), дезоксиаденин трифосфат (dATP) і дезоксигуанін трифосфат (dGTP). Реакція така:

(ДНК) _{n залишків} + dNTP -> (ДНК) _{n + 1} залишок + PPi

Гідроліз неорганічного пірофосфату (PPi) забезпечує енергію для біосинтезу РНК.

Роль у стабілізації структури ДНК

У подвійній спіралі ДНК одноланцюговий пурин пов'язаний з протилежно-ланцюговим піримідином водневими зв’язками. Таким чином, цитозин завжди пов'язаний з гуаніном трьома водневими зв’язками: аденін пов'язаний з тиміном двома водневими зв’язками.

Водневі зв’язки розриваються, коли розчин очищеної нативної ДНК при рН 7 піддається температурі вище 80 ° С. Це змушує подвійну спіраль ДНК утворювати дві окремі нитки. Цей процес відомий як денатурація.

Температура, при якій денатуровано 50% ДНК, називається температурою плавлення (Тм). Молекули ДНК, співвідношення гуаніну та цитозину вище, ніж тиміну та аденіну, мають більш високі значення Тм, ніж ті, у яких базове співвідношення є зворотним.

Описане вище є експериментальним доказом того, що більша кількість водневих зв’язків краще стабілізує нативні молекули ДНК.

Функція багатих цитозином областей у ДНК

Нещодавно було встановлено, що ДНК з ядра людських клітин може приймати структури з інтерпресованими мотивами (iM). Ці структури трапляються в регіонах, багатих цитозином.

Структура iM складається з чотирьох ниток ДНК, на відміну від класичної дволанцюжкової ДНК, яка має дві ланцюги. Більш конкретно, дві паралельні дуплексні ланцюги перемежовуються в антипаралельній орієнтації і утримуються разом парою геміпротонованих цитозинів (C: C ⁺ ).

У геномі людини iM-структури зустрічаються в таких регіонах, як промотори та теломери. Кількість структур iM вище протягом фази G1 / S клітинного циклу, в якій транскрипція висока. Ці регіони є сайтами розпізнавання білка, що беруть участь в активації механізму транскрипції.

З іншого боку, в регіонах, багатих послідовними парами гуанінових основ (С), ДНК має тенденцію приймати форму A-спіралі в умовах зневоднення. Ця форма характерна для подвійних смуг РНК та ДНК-РНК під час транскрипції та реплікації, а також у певний час, коли ДНК зв'язується з білками.

Показано, що послідовні базові ділянки цитозину створюють електропозитивний пластир у головній щілині ДНК. Таким чином, вважається, що ці регіони зв'язуються з білками, схиляючи певні геномні області до генетичної крихкості.

Роль у біосинтезі РНК

Під час транскрипції інформація, що міститься в ДНК, копіюється в РНК за допомогою РНК-полімерази. Для біосинтезу РНК необхідний трифосфат нуклеозиду (NTP), а саме: цитидин трифосфат (CTP), трифосфат уридину (UTP), трифосфат аденіну (АТФ) та гуанін трифосфат (GTP). Реакція така:

(RNA) _{n залишків} + NTP -> (RNA) _{n + 1} залишок + PPi

Гідроліз неорганічного пірофосфату (PPi) забезпечує енергію для біосинтезу РНК.

Роль у біосинтезі глікопротеїну

Послідовний перехід гексоз з утворенням олігосахаридів, пов'язаних з білками, відбувається від нуклеотидних попередників.

У хребетних тварин остання стадія біосинтезу олігосахаридного олігосахариду складається з додавання двох залишків сиалової кислоти (N-ацетилнейврамінової) з попередника цитидин-5'-монофосфату (CMP). Ця реакція відбувається в транс-Гольджі мішка.

Хіміотерапевтичне лікування цитозином та раком

Тетрагідрофолатна кислота (FH4) є джерелом -CH ₃ груп і необхідна для біосинтезу dTMP з dUMP. Крім того, утворюється FH2. Зниження FH2 до FH4 вимагає редуктази фолатів та NADPH. Деякі інгібітори фолатредуктази, такі як аміноптерин та метотрексат, застосовуються при лікуванні раку.

Метотрексан є конкурентним інгібітором. Фолатредуктаза зв’язується в 100 разів більшою спорідненістю до цього інгібітора, ніж до субстрату. Амінопетерин працює аналогічно.

Інгібування фолатредуктази опосередковано перешкоджає біосинтезу dTMP, а отже, і dCTP. Пряме інгібування відбувається інгібіторами ферменту тимідилат синтетази, який каталізує dTMP з dUMP. Цими інгібіторами є 5-фторурацил і 5-фтор-2-дезоксиуридин.

Наприклад, 5-фтороацил сам по собі не є інгібітором, але спочатку перетворюється на шляху рециркуляції в дезоксиуридинфосфат d (FdUMP), який зв’язує та інгібує синтетид тимідилату.

Речовини, аналогічні глютаміну, азасерину та ацивіцину, інгібують амідотрансферазу глутаміну. Азарин був однією з перших речовин, виявлених як інактиватор самогубств.

Список літератури

Assi, HA, Garavís, M., González, C., and Damha, MJ 2018. i-Motif DNA: структурні особливості та значення для клітинної біології. Дослідження нуклеїнових кислот, 46: 8038-8056.
Бохінський, Р. 1991. Біохімія. Аддісон-Уеслі Ібероамерикана, Вілмінгтон, Делавер.
Devlin, TM 2000. Біохімія. Редакція Реверте, Барселона.
Лодіш, Х., Берк, А., Зіпурський, С. Л., Мацударія, П., Балтімор, Д., Дарнелл, Дж. 2003. Клітинна і молекулярна біологія. Редакція Medica Panamericana, Буенос-Айрес, Богота, Каракас, Мадрид, Мексика, Сао Пауло.
Nelson, DL, Cox, MM 2008. Ленінгер - Принципи біохімії. WH Freeman, Нью-Йорк.
Voet, D. and Voet, J. 2004. Біохімія. Джон Вілей і сини, США.

ЦИТОЗИН: СТРУКТУРА, ФУНКЦІЇ, ВЛАСТИВОСТІ, СИНТЕЗ - БІОЛОГІЯ - 2025